保持过程控制系统与工业网络策略的联系

传统的集散控制系统(DCS)和监控与数据采集(SCADA)系统设计可以通过工业数字化改造得到改进。寻求行业互操作性、模块化、符合标准(包括安全标准)、可伸缩性和可移植性。

由凯文芬南和瓦鲁纳戈瓦 2021年6月2日

礼貌:横河

不要让早期成功与运营技术（OT）连接摊位技术创新现在用于工业物联网（IIOT）和工业数字转型（DX）。先进的过程控制系统设计采用互操作性，模块化，标准，可扩展性和可移植性。十年左右，当IIOT和DX的启动子开始关注时，经常强调的点是从设备层面上的一切如何，应该是互联的。经验丰富的工程师和技术人员负责设计和维护工艺制造设施的遗产工业自动化系统可以滚动他们的集体眼睛并说：“我们一直这样做。我们的控制系统都是关于连接和集成的。什么是大问题？“

虽然这些人可以对这些早期系统拥有一些合法的吹嘘权利，但许多工业自动化技术很快就陷入了困境，让IT世界忽略了它。在OT和过程控制的背景下，网络和互连的作用是复杂的，并继续发展，但借鉴了IT。要理解加时赛的发展方向，请考虑我们是如何到达今天的位置的。

自动化过程控制黎明，DCS，SCADA

40多年前，与世界上第一个分布式控制系统（DCS），过程自动化系统组成由独立的控制和可视化组件组成。监督控制和数据采集（SCADA）系统通常用于外部 - 围栏资产，如管道系统和井口。

这两种体系结构都可以从过程仪器中收集数据，并通过向执行器发送动作进行响应，并且都可以同时控制多个回路来处理复杂的过程。随着可编程逻辑控制器(plc)的成熟，它们也开始充当小规模控制器。

早期，这些类型的系统是使用专有硬件和软件建造的，以隔离运行而无需与其他网络的连接。操作员必须驻留在集中控制室或命令中心，因为人机接口（HMIS）不支持远程访问。通过报告提供给除运营商以外的人员提供的任何信息，该报告通常会有很大的时间滞后。

商业技术有助于工业运营

随着时间的推移，专有硬件和软件让位于商用现货设备，主要是pc，为工业连接提供了新的机制。有了这种连接性，过程自动化系统可以与工厂的公司网络连接，最终延伸到互联网。从任何位置访问数据甚至实际控制都成为可能。随着时间的推移，一个孤立的DCS或SCADA系统(图1左)最终发现自己是一个更大的实时网络(图1右)的一部分，该网络最终可以连接到任何东西。

图1:早期的过程控制系统(左)是独立的，建立在专有设备上。一旦它们被连接到更大的网络上，它们就变得更加复杂，并获得了广泛的功能。从40多年前横河公司推出世界上第一个分布式控制系统(DCS)开始，过程自动化系统已经由独立的控制和可视化组件组成。礼貌:横河

这一广泛的历史教训有助于提供一个上下文框架来考虑接下来会发生什么。

关注实施工业DX策略的前瞻性公司必须考虑其DCS和SCADA平台如何适合较大的画面。这些系统将如何在更复杂的环境中执行传统功能，其中自动化金字塔的层是模糊的（图2）并失去独特性？

它，ot，虚拟化，iiot的云

随着IT和OT融合与虚拟化技术的结合，许多工程和软件应用程序正在向云转移。集成云技术允许过程控制系统执行边缘计算，并作为工业物联网的数据源。

基于云的环境可以集成来自多个来源的数据，并提高数据可用性以支持分析和决策。

图2:随着DX的增长，IT和OT的融合，传统的普渡模型层变得越来越不明显。礼貌:横河

以开放架构现代化工业控制系统

利用基于云的环境、工业物联网和边缘计算要求流程制造商对老化的DCS和SCADA平台进行现代化改造。推动DX的一个附带好处是向更开放、更安全的系统架构和设计转变。

两个标准,那慕尔开放体系结构(NOA)和开放过程自动化论坛（OPAF），通过远离专有架构，正在推动工业自动化的开放式建筑计划（图3）。两者都描述了供应商 - 中性系统如何使用最先进的设备和功能，避免供应商锁定的常见问题。OPAF的主要概念包括：

互操作性
模块化
符合标准
符合安全标准
可伸缩性
可移植性。

在NOA中，独立于现有系统的一个称为监视和优化(M+O)的域被准备好了。它可以直接从机器人和无人机上收集数据，还可以收集腐蚀、声音、振动和其他维护相关变量的新传感器。现有系统中的数据通过OPC UA因此，可以在现场实现先进的控制、分析和诊断。

工业控制、自动化的安全保障

为了提供安全性，兼容性与区域设计(如推荐ISA / IEC 62443工业自动化和控制系统的安全性)得到了提高，因此系统设计和维护都很容易。该标准提供了一个框架来解决和减轻过程控制系统中的安全漏洞。更多关于工业网络安全的信息见下文。

在尝试实现这些概念时，用户经常遇到的主要问题是与旧控制系统平台不兼容。未经逐年升级的遗留装置可能无法支持新功能。如果推荐的解决方案是RIP-AND替换完整系统升级，则与原始供应商的讨论可能很困难。由于购买和集成价格，这些价格昂贵，加上安装期间的生产时间损失结合缓慢重启。

好的一面是，由于今天的控制系统是开放的和可互操作的，因此任何部分都可以在必要时进行升级，对整个系统的破坏最小或没有破坏。

图3:开放平台可以同时支持DCS和SCADA环境。礼貌:横河

工业网络安全烘焙

许多现有的DCS和SCADA系统缺乏网络安全的规定。由于它们是最初存在于隔离的，因此没有从外面攻击的道路。不考虑对保护的需求。一旦公司开始将这些系统连接到外部网络，就清楚了它们代表了一个柔软的目标。唯一实用的方法是硬化周边。有一些方法可以提高内部安全性，但“螺栓上”方法的有效性变化。

DX已经创造了对安全网络的需求，因为它依赖于开放性。幸运的是，随着IT和OT的融合，对安全的需求与改进的方法相匹配。例如，对于SCADA系统，传统架构将现场设备连接到远程终端单元(rtu)以进行数据整合和转换。由于rtu的战略位置和漏洞，这使得rtu成为攻击者的主要目标。新的DX技术正在逐步淘汰rtu，转而支持更容易防御的边缘设备。

IT和OT融合并不意味着网络是随机混合的，因为融合实施团队必须对OT网络与企业网络和互联网的隔离进行仔细评估。特权访问必须在站点和进程级别以及跨站点通信进行控制。

任何主要的DX项目都应该从脆弱性评估开始，以确定任何需要特别注意的领域。ISA/IEC 62443，以及国家标准协会 (NIST) 800-160卷1和2开发网络弹性系统:一种系统安全工程方法，为网络管理员和网络安全专家提供资源和指南。在考虑第三方顾问和集成商时，应该仔细分析他们的网络安全组合(图4)，以确保有足够的覆盖面和深度进行大规模的业务。

IT和OT领域的能力对于处理网络安全实现至关重要。

图4:网络安全能力必须在IT和OT领域提供足够的广度和深度，以确保在DX实施期间提供足够的保护。礼貌:横河

DX，过程控制的未来，自学习设计

在DX开发的推动下，DCS和SCADA系统正在发生变化和发展，而这一旅程才刚刚开始。这给流程制造商带来了挑战，尤其是在考虑启动主要系统升级的艰难决定时。任何制造商都不应该满足于在新硬件上运行相同功能的想法。

任何新系统都将更加模块化，允许在添加新功能时根据需要升级或替换的部分。这只是一个开始。工业自动化将增加只能想象的能力。

例如，DCS将具有自学习能力，以更好地了解其控制下的过程。它将开发自动执行复杂控制功能的能力，如程序(启动、坡度变化等)，无需操作员干预，甚至最小。在实现最佳运行的同时，工厂将减少由人为错误造成的事故和停机时间。

更大的系统连通性将能够支持综合操作中心，以及高质量警报系统促进的动态操作员指导。这些发展将帮助制造商实现新的、更高水平的系统优化和安全。动态数字双模拟器允许操作人员和管理人员通过预先预测工艺行为来评估操作条件的变化。

这些功能将使用开放系统来支持工业物联网和基于云的操作，包括OPC UA和消息队列遥测传输(MQTT)，以及其他IT连接协议，如简单网络管理协议(SNMP)和互联网控制消息协议(ICMP)。

为一个工业DX项目寻求帮助

很少有工艺制造商拥有有效设计和管理所有这些变化的内部资源。幸运的是，有一些公司、集成商和顾问能够在整个DX项目中提供指导。任何考虑中的服务提供商都必须利用一系列自动化架构、有效控制策略和高级解决方案的成熟控制技术。这些都是有自身风险的重大事业，但如果有效实施，回报将是巨大的。

凯文·芬南数字转型和行业营销顾问在哪里美国横河公司．Wataru中川Yokogawa Electric Corp.系统产品内容营销经理控制工程，CFE媒体与技术，mhoske@cfemedia.com.．